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Die Erfindung betrifft eine Wuchteinrichtung. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Wuchteinrichtung zur Verringerung einer Unwucht einer sich drehenden Welle.
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Eine Welle, beispielsweise in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, kann eine Unwucht aufweise. Die Unwucht kann bewirken, dass ein Element, das drehbar auf der Welle befestigt ist, radial nach außen verschoben wird, sodass der Schwerpunkt des Elements in Richtung der Unwucht wandert und die Unwucht so vergrößert. Durch die Unwucht kann eine große Belastung auf eine radiale Lagerung der Welle entstehen. Ein Verschleiß der Lagerung kann daher vergrößert sein. Darüber hinaus können sich Geräusche, Vibrationen oder eine Rauheit im Lauf der Welle (Noise, Vibration, Harshness: NVH) ergeben, die als unangenehm empfunden werden können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wuchteinrichtung bereitzustellen, die eine Unwucht der Welle automatisch verringert. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels einer Wuchteinrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.
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Eine Wuchteinrichtung für eine Welle, die um eine Wellenachse drehbar ist, umfasst ein erstes Rotationselement, das um die Wellenachse drehbar ist, wobei ein Schwerpunkt des ersten Rotationselements zur Wellenachse radial versetzt ist, und ein zweites Rotationselement, das dazu eingerichtet ist, drehmomentschlüssig mit der Welle zu koppeln. Dabei ist das erste Rotationselement um eine Drehachse drehbar am zweiten Rotationselement angebracht und die Drehachse ist radial zur Wellenachse versetzt. Der Versatz des Schwerpunkts und der Versatz der Mittelachse liegen einander bezüglich der Wellenachse gegenüber.
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Das zweite Rotationselement ist bezüglich der Welle in der Drehebene verschiebbar, aber nicht drehbar. Der Versatz des zweiten Rotationselements bezüglich der Welle ist dabei stets gleich groß. Weist die Welle eine Unwucht auf, so wird das zweite Rotationselement sich bezüglich der Welle in die Richtung der Unwucht bewegen. Das erste Rotationselement ist mit dem zweiten Rotationselement gekoppelt, sodass jede Verschiebung des zweiten Rotationselements bewirkt, dass das erste Rotationselement bezüglich dem zweiten verdreht wird. Der Schwerpunkt des zweiten Rotationselements wird daher automatisch in die Richtung gedreht, die der Unwucht gegenüberliegt, sodass die Unwucht verkleinert wird.
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Die Wuchteinrichtung kann dazu beitragen, eine Unwucht der Welle automatisch zu verringern. Dazu kann die Wuchteinrichtung an einer beliebigen Welle, insbesondere im Bereich eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs, insbesondere in einem Abschnitt zwischen einem Antriebsmotor und einem Getriebe, vorteilhaft eingesetzt werden. Durch die automatische Funktion der Wuchteinrichtung kann eine erst im Betrieb der Welle auftretende Unwucht automatisch verringert oder sogar kompensiert werden, ohne von außen in die Wuchteinrichtung oder die Welle einzugreifen. Geräusche, Vibrationen oder eine Laufunruhe der Welle können dadurch automatisch verringert werden. Auch eine Unwucht, deren Richtung von äußeren Umständen abhängig ist, beispielsweise von einer Drehzahl der Welle, kann mittels der Wuchteinrichtung verringert werden.
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Bevorzugterweise weist das zweite Rotationselement eine radiale Innenkontur zum Eingriff in eine radiale Außenkontur an der Welle auf. Durch die ineinander eingreifenden Konturen kann ein Drehmomentschluss zwischen dem zweiten Rotationselement und der Welle formschlüssig hergestellt werden, wobei gleichzeitig eine Verdrehung des zweiten Rotationselements um die Welle verhindert werden kann. Die Konturen können einfach und kostengünstig herstellbar sein. Außerdem können die Konturen so ausgebildet beziehungsweise dimensioniert werden, dass ein Verschleiß an den ineinander eingreifenden Abschnitten der Welle beziehungsweise des zweiten Rotationselements minimiert ist.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Konturen miteinander ein Radialspiel einschließen, das doppelt so groß ist wie der Versatz der Mittelachse gegenüber der Wellenachse. Dadurch kann die Verschiebung des zweiten Rotationselements bezüglich der Welle stets wohl definiert sein. Der Versatz der Mittelachse des zweiten Rotationselements bezüglich der Wellenachse der Welle kann auf einem Umkreis um die Wellenachse gehalten sein. Ein Hin- und Herschlagen oder Rattern des zweiten Rotationselements gegenüber der Welle kann so minimiert beziehungsweise verhindert sein.
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In einer Variante weist die Innenkontur eine Passverzahnung mit Evolventenflanken auf. Die Evolventenflanken können sicherstellen, dass eine Drehmomentübertragung zwischen dem zweiten Rotationselement und der Welle unabhängig von der Richtung der Verschiebung des zweiten Rotationselements gegenüber der Welle stets gleichgut ist.
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In einer zweiten Variante weist die Innenkontur eine Passverzahnung mit Keilflanken auf. Keilflanken können besonders einfach herstellbar und mit einem großen Drehmoment belastbar sein. Sowohl Evolventenflanken als auch Keilflanken können Standardformen sein, wie sie beispielsweise in DIN 5480 beziehungsweise DIN 5461, 5462 oder 5464 definiert sind. Bei der Wahl der Innenkontur kann ausgenutzt werden, dass die Welle bereits eine nutzbare Außenkontur tragen kann.
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Zwischen dem ersten Rotationselement und der Welle können unterschiedliche Lagerungen vorgesehen sein. In einer ersten Variante ist ein Gleitlager zwischen dem ersten Rotationselement und der Welle vorgesehen. Das Gleitlager kann einfach aufgebaut sein und kostengünstig hergestellt werden. Insbesondere für stoßförmige Belastungen kann das Gleitlager besonders geeignet sein. In einer Ausführungsform kann das Gleitlager mit einer Druckschmierung versehen sein, sodass ein besonders ruhiger Lauf erzielt werden kann.
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In einer anderen Variante ist zwischen dem ersten Rotationselement und der Welle ein Wälzlager vorgesehen. Das Wälzlager kann hohe radiale Kräfte aufnehmen unter Umständen auch eine axiale Fixierung des ersten Rotationselements an der Welle sicherstellen.
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Die gleichen beiden Optionen stehen auch für die Lagerung zwischen dem ersten Rotationselement und dem zweiten Rotationselement zur Verfügung. Dabei können gleiche oder unterschiedliche Lagertypen verwendet werden.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass das zweite Rotationselement einen größeren Außendurchmesser als das erste Rotationselement aufweist. Dadurch kann es einfach sein, einen Massenmittelpunkt des zweiten Rotationselements auf dessen Mittelachse zu halten. Das zweite Rotationselement kann beispielsweise aus einem ebenen Material, insbesondere einem Blech, herstellbar sein. Im Bereich eines Eingriffs zur Welle kann das Material axial verstärkt sein.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass das erste Rotationselement kreisförmige radiale Begrenzungsflächen aufweist, deren Achsen gegeneinander versetzt sind. Dadurch kann das erste Rotationselement einfach und kostengünstig beispielsweise als Drehteil herstellbar sein. Spannungen und Belastungen innerhalb des ersten Rotationselements aufgrund des Versatzes seines Schwerpunkts gegenüber der Wellenachse können so homogen sein. Die Belastbarkeit des ersten Rotationselements kann dadurch gesteigert sein.
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Es ist weiterhin bevorzugt, dass eine Unwucht des ersten Rotationselements bezüglich der Wellenachse im Wesentlichen einer maximal zu erwartenden Unwucht des zweiten Rotationselements ist. Die Kompensation der Unwucht der Welle kann dadurch besonders gut gelingen, ohne dass die Wuchteinrichtung die Unwucht zusätzlich verstärkt.
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Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Figuren genauer beschrieben, in denen:
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1 eine Wuchteinrichtung an einer Welle;
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2 eine Wuchteinrichtung in einer Explosionsdarstellung;
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3 eine erste Rotationseinrichtung für eine Wuchteinrichtung nach den 1 oder 2; und
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4 unterschiedliche beispielhafte Verzahnungen für die Wuchteinrichtung der vorangehenden Figuren
darstellt.
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1 zeigt eine Wuchteinrichtung 100 an einer Welle 105. Im linken Bereich ist ein Längsschnitt und im rechten Bereich eine Schrägansicht des gleichen Längsschnitts dargestellt. Die Welle 105 weist eine Wellenachse 110 auf, um die sie drehbar ist. Falls nicht anders angegeben, werden im Folgenden Positionen und Abstände bezüglich der Wellenachse 110 beschrieben.
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Auf der Welle sind eine erste Rotationseinrichtung 115 und eine zweite Rotationseinrichtung 120 angebracht. Die erste Rotationseinrichtung 115 ist um die Wellenachse 110 drehbar gelagert, dazu ist bevorzugterweise eine erste Lagerung 125 zwischen der Welle 105 und der ersten Rotationseinrichtung 115 vorgesehen. Die erste Lagerung 125 kann beispielsweise als Gleitlager oder als Wälzkörperlager, insbesondere als Kugel- oder Nadellager, ausgeführt sein. Außerdem ist bevorzugt, dass die erste Rotationseinrichtung 115 und/oder die zweite Rotationseinrichtung 120 axial an der Welle 105 gesichert sind. Weiter ist bevorzugt, dass zwischen der ersten Rotationseinrichtung 115 und der zweiten Rotationseinrichtung 120 eine axiales Lager, beispielsweise ein Wälzlager oder ein Gleitlager, vorgesehen ist. Exemplarisch ist hierfür in der Ausführungsform von 1 eine Anlaufscheibe 130 vorgesehen. Ein Massenmittelpunkt der ersten Rotationseinrichtung 115 ist gegenüber der Wellenachse 110 radial versetzt; in der Darstellung von 1 ist dies darin erkenntlich, dass sich das erste Rotationselement 115 von der Wellenachse 110 aus weiter nach oben als nach unten erstreckt.
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Das erste Rotationselement 115 ist außerdem drehbar gegenüber dem zweiten Rotationselement 120 gelagert, wozu bevorzugterweise eine zweite Lagerung 140 vorgesehen ist, die unabhängig von der ersten Lagerung 125 aber mit den gleichen Variationsmöglichkeiten ausgeführt sein kann. Die zweite Lagerung 140 erfolgt um eine Drehachse 145, die gegenüber der Wellenachse 110 radial versetzt ist. Dabei liegt die Drehachse 145 bezüglich der Wellenachse 110 dem Massenmittelpunkt 135 gegenüber, anders ausgedrückt, sind der Massenmittelpunkt 135 und die Drehachse 145 in einander gegenüberliegenden Richtungen bezüglich der Wellenachse 110 radial versetzt.
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Die zweite Rotationseinrichtung 120 ist drehmomentschlüssig mit der Welle 105 verbunden, was in der vorliegenden Ausführungsform durch eine Verzahnung 150 erzielt wird, die aus einer Innenverzahnung 155 an der zweiten Rotationseinrichtung 120 und einer Außenverzahnung 160 an der Welle 105 gebildet ist. Die Verzahnung 150 ist dabei so ausgeführt, dass ein vorbestimmtes Radialspiel zwischen der zweiten Rotationseinrichtung 120 und der Welle 105 möglich ist. Dieses Radialspiel ist bevorzugterweise doppelt so groß wie der Versatz der Mittelachse 145 bezüglich der Wellenachse 110. In einer weiteren Ausführungsform kann auch ein größeres Radialspiel möglich sein.
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Das zweite Rotationselement 120 ist bevorzugterweise rotationssymmetrisch um seine Drehachse 145 ausgeführt. Sein Massenmittelpunkt 165 liegt auf der Mittelachse 145 und damit dem Massenmittelpunkt 135 der ersten Rotationseinrichtung 115 bezüglich der Wellenachse 110 der Welle 105 gegenüber.
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Die Funktion der Wuchteinrichtung 100 erklärt sich wie folgt. Dreht sich die Welle 105 um ihre Wellenachse 110, so sorgt der Formschluss der Verzahnung 150 dafür, dass sich die zweite Rotationseinrichtung 120 im Wesentlichen mit der gleichen Geschwindigkeit dreht. Ist nun die Rotation der Welle 105 einer Unwucht unterworfen, so weist diese in eine vorbestimmte Richtung von der Wellenachse 110. Die zweite Rotationseinrichtung 120 wird in die Richtung der Unwucht beschleunigt und verschiebt sich in der Drehebene bezüglich der Welle 105 auch in diese Richtung. Durch ihre Lagerung über die erste Rotationseinrichtung 115 ist die zweite Rotationseinrichtung 120 bezüglich der Welle 105 stets um den gleichen, vorbestimmten Betrag radial verschoben.
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Die Richtung, in die die zweite Rotationseinrichtung 120 bezüglich der Welle 105 verschoben ist, korrespondiert mit einer eindeutigen Drehstellung der ersten Rotationseinrichtung 115 gegenüber der zweiten Rotationseinrichtung 120. Diese Drehstellung ist so, dass der Massenmittelpunkt 135 der ersten Rotationseinrichtung 115 der Drehachse 145 – und damit dem Massenmittelpunkt 165 der zweiten Rotationseinrichtung 120 – bezüglich der Wellenachse 110 der Welle 105 gegenüberliegt. Dadurch liegt der Massenmittelpunkt 135 der ersten Rotationseinrichtung 115 auch der Unwucht gegenüber, sodass die Unwucht verkleinert wird.
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Durch die doppelte Lagerung der ersten Rotationseinrichtung 115 gegenüber der zweiten Rotationseinrichtung 120 und der Welle 105 sind die Massenmittelpunkte 135 und 165 stets auf unterschiedlichen Seiten der Wellenachse 110. Der Abstand des Massenmittelpunkts 165 der zweiten Rotationseinrichtung 120 beziehungsweise der Drehachse 145 von der Wellenachse 110 ist dabei üblicherweise deutlich kleiner als der Abstand des Massenmittelpunkts 135 der ersten Rotationseinrichtung 115 von der Wellenachse 110. Die relativ kleine radiale Auslenkung der zweiten Rotationseinrichtung 120 gegenüber der Wellenachse 110 kann so die Unwucht nur um einen kleinen Teil vergrößern, während die Lage des Massenmittelpunkts 135 der ersten Rotationseinrichtung 115 die Unwucht relativ stark verringern kann.
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Es ist bevorzugt, dass eine Unwucht, die durch die von der Wellenachse 110 verschiedenen Lage des Schwerpunkts 135 des ersten Rotationselements 115 hervorgerufen wird, in erster Näherung einer maximal zu erwartenden Unwucht des zweiten Rotationselements 120 ist.
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2 zeigt eine Wuchteinrichtung 100 entsprechend der von 1 in einer Explosionsdarstellung. Die Welle 105 ist zur besseren Erkenntlichkeit lediglich als kurzer Wellenabschnitt dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform weist das erste Rotationselement 115 kreisförmige radiale Begrenzungsflächen auf. Ein Mittelpunkt einer inneren radialen Begrenzungsfläche 205 fluchtet mit der Wellenachse 110. Ein Mittelpunkt einer äußeren radialen Begrenzungsfläche 210 entgegen liegt radial versetzt zur Wellenachse 110. Eine derartige Bauform ist auch als Exzenter bekannt. In der dargestellten Ausführungsform ist die erste Rotationseinrichtung 115 im Wesentlichen aus einem Material konstanter Dicke gebildet, wobei zur Bildung der Lagerung 140 zum zweiten Rotationseinrichtung 120 eine axiale Verstärkung im Bereich der inneren Begrenzungsfläche 205 vorgesehen ist, wie auch in 1 zu erkennen ist.
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3 zeigt eine erste Rotationseinrichtung 115 für eine Wuchteinrichtung 100 nach den 1 oder 2. Im oberen Bereich ist eine axiale Darstellung und im unteren Bereich eine Schrägbildansicht dargestellt. In der oberen Darstellung sind relative Lagen der Wellenachse 110, der Drehachse 145 und ein Mittelpunkt 305 der äußeren radialen Begrenzungsfläche 210 exemplarisch dargestellt. Diese Darstellung gilt für die oben beschriebene Ausführungsform des ersten Rotationselements 115 als Exzenter. Der Mittelpunkt 305 liegt der Drehachse 145 bezüglich der Wellenachse 110 gegenüber. Der Abstand zwischen dem Mittelpunkt 305 und der Wellenachse 110 beeinflusst die maximale, durch das erste Rotationselement 115 zu erzielende Unwucht. In anderen Ausführungsformen kann die Unwucht auch durch eine andere außermittige Masse an der ersten Rotationseinrichtung 115 bereitgestellt sein, wenn das erste Rotationselement 115 nicht wie dargestellt als Exzenter ausgeführt ist.
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4 zeigt eine zweite Rotationseinrichtung 120 für eine Wuchteinrichtung 100 nach den 1 oder 2. Im oberen und im unteren Bereich der Figur sind unterschiedliche Ausführungsformen dargestellt. In beiden Darstellungen ist nur ein radial innerer Abschnitt der zweiten Rotationseinrichtung 120 gezeigt.
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In der oben dargestellten Ausführungsform ist die Verzahnung 150 mit Keilflanken ausgeführt. In Umfangsrichtung weisende Begrenzungsflächen der Zähne sind dabei üblicherweise parallel ausgeführt. In der unteren Ausführungsform ist die Verzahnung 150 mit Evolventenflanken ausgeführt. In Umfangsrichtung weisende Begrenzungen der Zähne folgen dabei Evolventen, wie sie beispielsweise im Zahnradbau üblich sind.
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In beiden dargestellten Ausführungsformen ist zwischen der Außenverzahnung 160 der Welle 105 und der Innenverzahnung 155 des zweiten Rotationselements 120 ein vorbestimmtes radiales Spiel vorgesehen, das bevorzugterweise doppelt so groß ist wie der radiale Abstand zwischen der Wellenachse 110 und der Drehachse 145 des zweiten Rotationselements 120. Die Verzahnungen 150 sind bevorzugterweise jeweils so ausgeführt, dass ein Drehmoment formschlüssig zwischen der Welle 105 und dem zweiten Rotationselement 120 übertragen werden kann, solange das Spiel zwischen der Außenverzahnung 160 und der Innenverzahnung 155 in einer beliebigen radialen Richtung minimiert ist. Diese Auslenkung wird sichergestellt durch die Lagerung des ersten Rotationselements 115 am zweiten Rotationselement 120 mittels der ersten Lagerung 125. Die Richtung, in der die Drehachse 145 bezüglich der Wellenachse 110 versetzt ist, ist von der Drehung des ersten Rotationselements 115 bezüglich der Welle 105 abhängig. Durch diese doppelte Lagerung ist sichergestellt, dass die Drehachse 145 nur eine Position auf einem Umkreis um die Wellenachse 110 einnehmen kann, dessen Radius durch die Bauart des ersten Rotationselements 115 festgelegt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Wuchteinrichtung
- 105
- Welle
- 110
- Wellenachse
- 115
- erste Rotationseinrichtung
- 120
- zweite Rotationseinrichtung
- 125
- erste Lagerung
- 130
- Anlaufscheibe
- 135
- Massenmittelpunkt
- 140
- zweite Lagerung
- 145
- Drehachse
- 150
- Verzahnung
- 155
- Innenverzahnung
- 160
- Außenverzahnung
- 165
- Massenmittelpunkt
- 205
- innere radiale Begrenzungsfläche
- 210
- äußere radiale Begrenzungsfläche
- 305
- Mittelpunkt der äußeren radialen Begrenzungsfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- DIN 5480 [0010]
- DIN 5461 [0010]
- 5462 [0010]
- 5464 [0010]
